לראשונה בעולם: פיצול מים למימן וחמצן בעזרת אנרגיית השמש

חוקרים בטכניון פיתחו מערכת אב-טיפוס חדשנית להפקה יעילה ובטוחה של מימן באמצעות אנרגיית השמש בלבד. את המחקר, שהתפרסם בכתב העת Joule מקבוצת Cell, הובילה הדוקטורנטית אביגיל לנדמן מתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד, יחד עם המסטרנטית רואן חלבי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים. המחקר נערך בהנחייתם המשותפת של פרופ’ גידי גרדר מהפקולטה להנדסה כימית ופרופ’ אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים, ושותפים בו פרופ’ אדליו מנדס וד”ר פאולה דיאז מאוניברסיטת פורטו בפורטוגל.

המערכת החדשנית מכילה התקן סולארי דו-שכבתי (Tandem cell), המאפשר ניצול יעיל יותר של ספקטרום האור: חלק מקרינת השמש נבלע בשכבה העליונה, העשויה תחמוצת ברזל שקופה למחצה; והקרינה שאינה נבלעת בשכבה זו עוברת דרכה ונבלעת בהמשך על ידי תא פוטו-וולטאי. יחד מספקות שתי השכבות למערכת את האנרגיה הדרושה לפירוק המים.

מערכת אב-טיפוס חדשנית להפקה יעילה ובטוחה של מימן באמצעות אנרגיית השמש בלבד

הדוקטורנטית אביגיל לנדמן (מימין) והמסטרנטית רואן חלבי עם המערכת החדשנית

הדוקטורנטית אביגיל לנדמן (מימין) והמסטרנטית רואן חלבי עם המערכת החדשנית

פרופ' אבנר רוטשילד

ד"ר פאולה דיאז ופרופ' אדליו מנדס

פרופ' גידי גרדר

מתיאוריה ליישום

המערכת החדשנית היא המשך לפריצת דרך תאורטית של צוות המחקר הטכניוני, שהוצגה במאמר שהתפרסם ב-Nature Materials בחודש מרץ 2017. באותו מאמר הציגו החוקרים שינוי פרדיגמטי בהפקת מימן: במקום תא הפקה אחד שבו מתפרקים המים למימן ולחמצן פיתחו החוקרים מערכת שבה נוצרים המימן והחמצן בשני תאים שונים לחלוטין. פיתוח זה חשוב בין השאר משום שערבוב בין החמצן למימן יוצר אינטראקציה נפיצה ומסוכנת. את הוכחת ההיתכנות הציגו החוקרים במערכת מעבדתית המופעלת בעזרת מקור חשמל קונבנציונלי.

כעת, במחקר הנוכחי שהתפרסם ב-Joule, מימשו החוקרים את התיאוריה בפיתוח יישומי – מערכת אב-טיפוס פוטו-אלקטרוכימית המייצרת מימן וחמצן בשני תאים נפרדים באמצעות אור שמש בלבד. במסגרת הניסוי נערכו כ-80 שעות עבודה (10 ימים של כ-8 שעות), שהדגימו את יעילות המערכת באור שמש טבעי. הניסוי נערך בפקולטה להנדסה כימית בטכניון.

רקע למחקר

מימן הוא חומר מבוקש מאוד בתחומים רבים בחיינו. רוב המימן המיוצר כיום מְשַמֵש לייצור אמוניה לייצור דשנים החיוניים לחקלאות המודרנית. בנוסף, מימן הוא אחד המתחרים המובילים בתחום הדלקים האלטרנטיביים, במיוחד בהקשר של הנעת כלי רכב. בהקשר התחבורתי יש למימן כמה יתרונות על פני דלקים מבוססי מחצבים:

• אפשר להפיקו ממים על ידי אנרגיות ירוקות כגון אנרגית השמש, וכך לצמצם את התלות בדלקים מחצביים ואת התלות בארצות העשירות בעתודות נפט;
• הפקת מימן ממים מאפשרת אגירה של אנרגיות ירוקות, שאינן זמינות בכל שעות היום
• בניגוד למנועי סולר ובנזין הפולטים זיהום רב לאוויר, תוצר הלוואי היחיד של מנועי מימן הוא מים.

כיום מופק המימן בעולם, רובו ככולו, מגז טבעי, בתהליך הפולט פחמן דו-חמצני (CO₂) שנזקיו הסביבתיים ידועים. שיטת הפקה חלופית היא אלקטרוליזה – פירוק מים (H₂O) למימן (H₂) ולחמצן (O₂). תהליך האלקטרוליזה פותח לפני יותר ממאתיים שנה, בשנת 1800, אך מאז לא פותחו טכנולוגיות אלקטרוליזה רבות. בשנים האחרונות, עם המעבר החיוני לאנרגיות חלופיות, ברור כי יש לשכלל את תהליכי האלקטרוליזה כך שיתאימו למקורות אנרגיה אלה.

על רקע זה התפתח התהליך הפוטו-אלקטרוכימי, המפרק את המים ישירות על ידי קרינת השמש. אולם גם כאן ישנם אתגרים טכנולוגיים שונים. למשל, ייצור המימן בדרך המקובלת באלקטרוליזה – פירוק המים למימן וחמצן באותו תא הפקה – כרוך בסיכון משום שהמפגש בין מימן לחמצן מוביל לפיצוץ. יתר על כן, בשדות סולאריים רחבי ידיים קשה מאוד לייצר מימן בתצורה זו. מכאן חשיבותה של פריצת הדרך הנוכחית המוצגת ב-Joule.

החוקרים מקווים שגורמים באקדמיה ובתעשייה ימשיכו ויקדמו את המערכת לכדי מוצר מסחרי.

המחקר נתמך על ידי תוכנית האנרגיה ע”ש ננסי וסטיבן גרנד בטכניון (GTEP), תרומת אד סאטל, קרן אדליס, משרד האנרגיה והנציבות האירופית (שני מענקי ERC) ומרכז המצוינותPAT  של הקרן הלאומית למדע.

למאמר בכתב העת Joule  לחצו כאן